分子生物学第六章 基因的表达与调控(上)

6基因的表达与调控(上)——原核基因表达调控模式原核生物细胞:基因和蛋白质种类较少如大肠杆菌基因组约为4.60x106bp共有4288个可读框。据估计，一个细胞中总共含有107个蛋白质分子，如果每个基因等同翻译的话，任何一个多肽应有2500个拷贝。但是，这些蛋白质并不是以相同拷贝数存在于每个细胞中的，有些蛋白质的数目相当固定，另一些则变化很大。每个大肠杆菌细胞可以有约15000个核糖体，与其结合的约50种核糖体蛋白，数量也是十分稳定的。糖酵解体系的酶含量很大，其数目也极恒定。如DNA聚合酶、RNA聚合酶等都是代谢过程中十分必需的酶或蛋白质，其合成速率不受环境变化或代谢状态的影响，这一类蛋白质被称为组成型(constitutive)合成蛋白质。另一种类型的蛋白质的合成速率明显地受环境的影响而改变，被称为适应型或调节型（adaptiveorregulated)蛋白质。一般情况下，一个大肠杆菌细胞中只有15个分子的β-半乳糖苷酶，但若将细胞培养在只含乳糖的培养基中，每细胞中这个酶的量可高达几万个分子。其他参与糖代谢的酶，氨基酸、核苷酸合成系统的酶类，其合成速度和总量都随培养条件的变化而改变。细菌中所利用的大多数基本调控机制一般执行如下规律：一个体系在需要时被打开，不需要时被关闭。是通过调节转录来建立的，也就是说在mRNA的合成水平上调节。实际上，当我们说一个系统处于关闭状态时，也可能有本底水平的基因表达，常常是每世代每个细胞只合成1或2个mRNA分子和极少量的蛋白质分子。表示是基因表达量特别低，很难甚至无法检测。6．1原核基因表达调控总论基因表达：从DNA到蛋白质的过程称为基因表达(geneexpression）对这个过程的调节就称为基因表达调控(generegulation或genecontrol)。rRNA、tRNA编码基因转录合成RNA的过程也属于基因表达。基因调控是现阶段分子生物学研究的中心课题。组成性表达(constitutiveexpression)适应性表达(adaptiveexpression）基因表达的方式1、组成性表达：指不大受环境变动而变化的一类基因表达。某些基因在一个个体的几乎所有细胞中持续表达，通常被称为管家基因(housekeepinggene)。2、适应性表达指环境的变化容易使其表达水平变动的一类基因表达。应环境条件变化基因表达水平增高的现象称为诱导(induction)，这类基因被称为可诱导的基因(induciblegene)；相反，随环境条件变化而基因表达水平降低的现象称为阻遏(repression)，相应的基因被称为可阻遏的基因(repressiblegene)。基因表达的规律——时间性和空间性1、时间特异性（temporalspecificity）按功能需要，某一特定基因的表达严格按特定的时间顺序发生，称之为基因表达的时间特异性。多细胞生物基因表达的时间特异性又称阶段特异性(stagespecificity)。2、空间特异性(spatialspecificity)基因表达伴随时间顺序所表现出的这种分布差异，实际上是由细胞在器官的分布决定的，所以空间特异性又称细胞或组织特异性(cellortissuespecificity)。在个体生长全过程，某种基因产物在个体按不同组织空间顺序出现，称之为基因表达的空间特异性。基因表达调控的生物学意义适应环境、维持生长和增殖（原核、真核）维持个体发育与分化（真核）基因表达调控主要表现：(1)转录水平上的调控(transcriptionalregulation)；(2)转录后水平上的调控(posttranscriptionalregulation)转录后水平上的调控包括:①mRNA加工成熟水平上的调控(differentialprocessingofRNAtranscript)；②翻译水平上的调控(differentialtranslationofmRNA)。原核生物中营养状况(nutritionalstatus)环境因素(environmentalfactor)对基因表达起着举足轻重的影响。真核生物尤其是高等真核生物中激素水平(hormonelevel)发育阶段(developmentalstage)是基因表达调控的最主要手段，营养和环境因素的影响力大为下降。原核:——转录与翻译过程几乎发生在同一时间间隔内，转录与翻译相偶联。真核生物:转录产物只有从核内运转到核外，才能被核糖体翻译成蛋白质。6.1.1原核基因调控机制的类型与特点原核生物的基因调控主要发生在转录水平上。根据调控机制的不同可分为：负转录调控(negativetranscriptionregulation)正转录调控(positivetranscriptionregulation)在负转录调控系统中，调节基因的产物是阻遏蛋白(repressor)，起着阻止结构基因转录的作用。根据其作用特征又可分为:负控诱导负控阻遏二大类。在负控诱导系统中，阻遏蛋白不与效应物(诱导物)结合时，结构基因不转录；在负控阻遏系统中，阻遏蛋白与效应物结合时，结构基因不转录。阻遏蛋白作用的部位是操纵区。在正转录调控系统中，调节基因的产物是激活蛋白(activator)。根据激活蛋白的作用性质分为:正控诱导系统正控阻遏系统。在正控诱导系统中，效应物分子(诱导物)的存在使激活蛋白处于活性状态；在正控阻遏系统中，效应物分子的存在使激活蛋白处于非活性状态。转录水平上调控的其他形式1.σ因子的更换在E.coli中,当细胞从基本的转录机制转入各种特定基因表达时，需要不同的因子指导RNA聚合酶与各种启动子结合。参与大肠杆菌基因表达调控最常见的蛋白质是σ因子。温度较高,诱导产生各种热休克蛋白由σ32参与构成的RNA聚合酶与热休克应答基因启动子结合,诱导产生大量的热休克蛋白,适应环境需要枯草芽孢杆菌芽孢形成有序的σ因子的替换,RNA聚合酶识别不同基因的启动子,使芽孢形成有关的基因有序地表达除参与氮代谢的σ54以外，其它5种σ因子在结构上具有同源性，所以统称σ70家族。所有σ因子都含有4个保守区，其中第2个和第4个保守区参与结合启动区DNA，第2个保守区的另一部分还参与双链DNA解开成单链的过程。大多数σ因子特异性结合DNA上的-35区和-10区，而σ54因子识别并与DNA上的-24和-12区相结合。在与启动子结合的顺序上:σ70类启动子在核心酶结合到DNA链上之后才能与启动子区相结合σ54则类似于真核生物的TATA区结合蛋白(TBP)，可以在无核心酶时独立结合到启动子上。通过特殊代谢物调节的基因活性主要有两大类：可诱导可阻遏(1)可诱导调节：是指一些基因在特殊的代谢物或化合物的作用下，由原来关闭的状态转变为工作状态，即在某些物质的诱导下使基因活化。大肠杆菌在含有葡萄糖的培养基中生长良好，在只含乳糖的培养基中开始时生长不好，直到合成了利用乳糖的一系列酶，具备了利用乳糖作为碳源的能力才开始生长。细菌在诱导物乳糖的诱导下开动了乳糖操纵子，表达它所编码的3个酶：β-半乳糖苷酶(使乳糖水解为半乳糖和葡萄糖)β-半乳糖苷透过酶(使乳糖进入细菌细胞内)β-半乳糖苷乙酰基转移酶(使β-半乳糖第六位碳原子乙酰化)。在葡萄糖培养基中生长时，每个细胞只有几个β-半乳糖苷酶分子，但若转移到乳糖培养基中，几分钟后，每个细菌细胞内可产生3000个酶分子。因此，这类基因被称为可诱导基因这类酶被称为诱导酶这个生化过程被称为酶的诱导合成。(2)可阻遏调节：这类基因平时都是开启的，处在产生蛋白质或酶的工作过程中，由于一些特殊代谢物或化合物的积累而将其关闭，阻遏了基因的表达。大肠杆菌生活中必须有色氨酸，一般情况下，色氨酸操纵子是开启的。如果在细菌培养基中加入色氨酸，使之能利用培养基中的色氨酸来维持生活而不需要再费力去合成，细菌往往能在2-3min内完全关闭该操纵子。某一代谢途径最终产物合成酶的基因可以被这个产物本身所关闭。这种基因被称为可阻遏基因这些酶被称为可阻遏酶这个现象被称为可阻遏现象这些起阻遏作用的小分子被称为阻遏物。一般规律：可诱导的操纵子总是一些编码糖和氨基酸分解代谢蛋白的基因，这些糖和氨基酸平时含量很少，细菌总是利用更一般的能源物质——葡萄糖的水解来提供能源，因此，这些操纵子常常是关闭的。一旦生存条件发生变化，如葡萄糖缺乏而必须利用乳糖作为能源时，就要打开这些基因。可阻遏基因是一些合成各种细胞代谢过程中所必须的小分子物质(如氨基酸、嘌呤和嘧啶等)的基因，由于这类物质在生命过程中的重要地位，这些基因总是打开着的。只有当细菌生活环境中有充分供应时，才关闭这些基因，停止其合成。6．1．2弱化子对基因活性的影响大肠杆菌中色氨酸操纵子、苯丙氨酸操纵子等的调节方式是通过弱化子调节的。在这种调节方式中，起信号作用的是有特殊负载的氨酰-tRNA的浓度，在色氨酸操纵子中就是色氨酰-tRNA的浓度。当操纵子被阻遏，RNA合成被终止时。起终止转录信号作用的那一段核苷酸被称为弱化子。因为核糖体在基因转录产物上的不同位置，决定了RNA可以形成哪一种形式的二级结构、并由此决定基因能否继续转录。起调节作用的信号分子是细胞中某一氨基酸或嘧啶的浓度，因此是转录调节中的微调整，只要稍加变动就可影响整个体系的功能。属于这种调节方式的有:大肠杆菌中的色氨酸操纵子苯丙氨酸操纵子苏氨酸操纵子异亮氨酸操纵子缬氨酸操纵子沙门氏菌的组氨酸操纵子和亮氨酸操纵子、嘧啶合成操纵子等。6．1．3降解物对基因活性的调节操纵子学说的核心是使基因从表达抑制状态中解脱出来进行转录，是从负调节的角度来考虑基因表达调控的。如何通过正调节以提高基因的转录水平，使它由原来的低水平表达变成高水平表达，这就是降解物抑制作用的调节。有葡萄糖存在的情况下，即使在细菌培养基中加入乳糖、半乳糖、阿拉伯糖或麦芽糖等诱导物，与其相对应的操纵子也不会启动，不会产生出代谢这些糖的酶来，这种现象称为葡萄糖效应或称为降解物抑制作用。因为添加葡萄糖后，细菌所需要的能量便可从葡萄糖得到满足，细菌无需开动一些不常用的基因去利用那些稀有的糖类。葡萄糖的存在会抑制细菌的腺苷酸环化酶活性，减少cAMP的合成与它相结合的蛋白质－－环腺苷酸受体蛋白CRP（又称分解代谢物激活蛋白CAP）因找不到配体而不能形成复合物。降解物抑制作用是通过提高转录强度来调节基因表达的，是一种积极的调节方式。6．1．4细菌的应急反应在所谓“正常”，也包括生活环境中缺少某一种或两种能源，细菌能找到其他代用物，进行正常生活条件下的基因表达调节。可是，细菌有时会碰到紧急状况，比如氨基酸饥饿时，就不是缺少一二种氨基酸，而是氨基酸的全面匮乏。为了紧缩开支，渡过难关，细菌将会产生一个应急反应，包括生产各种RNA、糖、脂肪和蛋白质在内的几乎全部生物化学反应过程均被停止。实施这一应急反应的信号是鸟苷四磷酸(ppGpp)和鸟苷五磷酸(pppGpp)。产生这两种物质的诱导物是空载tRNA。当氨基酸饥饿时，细胞中便存在大量的不带氨基酸的tRNA，这种空载的tRNA会激活焦磷酸转移酶，使ppGpp大量合成，其浓度可增加10倍以上。ppGpp的出现会关闭许多基因，当然也会打开一些合成氨基酸的基因，以应付这种紧急状况。关于ppGpp的作用原理还不大清楚。一般认为RNA聚合酶有不同的构象，这些构象可以识别不同的启动子区，ppGpp与RNA聚合酶结合会使它的某些构象稳定下来，从而改变了基因转录的效率。也有人认为基因转录起始位点附近有一些保守序列，它们可能是ppGpp或有关调节蛋白的结合位点。当这些序列与ppGpp结合后，就不能与RNA聚合酶相结合，使基因被关闭。ppGpp与pppGpp的作用范围十分广泛，它们不是只影响一个或几个操纵子，而是影响一大批，所以它们是超级调控